CN110440752B - 一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法，包括：激光测距仪、活动靶窗和处理系统；激光测距仪水平设置于隧道的稳定围岩内壁上，活动靶窗可竖直匀速升降设置于隧道的不稳定围岩内壁上，活动靶窗在竖直升降时可遮挡激光测距仪的激光线；激光测距仪测量活动靶窗从上之下、从下至上两次通过激光测距仪的时间差，根据时间差计算活动靶窗的靶窗高程；处理系统与激光测距仪相连，用于接收活动靶窗的靶窗高程，根据靶窗高程实时测量隧道拱顶沉降。

Description

一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，涉及一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法，具体涉及一种基于可后视校正激光测距仪的实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法。

背景技术

隧道施工技术随着施工机器的改进有了很大发展，但开挖引起的变形仍不可避免。隧道开挖过程中，自身结构的安全和沿线环境的温度至关重要，长期进行变形测量是十分必要的。而隧道拱顶沉降监测是地下隧道变形监测的重要内容。

现有的拱顶沉降监测方法有接触式测量和非接触测量两大类，接触测量有：水准仪配合因瓦挂尺法、水准仪悬挂钢尺法、水准仪倒尺测量；非接触测量有：全站仪结合反光片靶标法。也有一些全自动测量系统：巴赛特系统和全站仪的动态监测系统。

采用接触测量时，当测量边墙的点和在特大作业面时，因为立水准尺或者悬挂钢尺困难而不便操作；隧道内光照弱，对准等操作实施困难；水准测量时，拱顶位移监测每次只能测量一个断面，效率比较低；测量时隧道内的人员或运输列出等进出不断，也会给测量带来不便。

采用非接触测量时，测量时隧道内光照微弱，对准等操作实施困难；列车或人员进出，给测量带来不便，效率不高，硬件成本相对比较高。采用变形自动监测系统时，硬件成本很高。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及监测方法，效率高、操作简单、安全可靠、精度满足要求。

本发明公开了一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统，包括：激光测距仪、活动靶窗和处理系统；

所述激光测距仪水平设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述活动靶窗可竖直匀速升降设置于隧道的不稳定围岩内壁上，所述活动靶窗在竖直升降时可遮挡所述激光测距仪的激光线；

所述激光测距仪测量所述活动靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差，根据所述时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程；

所述处理系统与所述激光测距仪相连，用于接收所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述靶窗高程实时测量隧道拱顶沉降。

作为本发明的进一步改进，在隧道内的不稳定围岩内壁上每间隔一定距离设定一个监测断面，每个监测断面的拱顶布置一个活动靶窗。

作为本发明的进一步改进，还包括：校正靶窗；

所述校正靶窗设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述校正靶窗可竖直匀速升降设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述校正靶窗在竖直升降时可遮挡所述激光测距仪的激光线。

作为本发明的进一步改进，所述激光测距仪包括前视和后视两个工作模式；

当所述激光测距仪为前视模式时，用于测量所述活动靶窗；

当所述激光测距仪为后视模式时，用于测量所述校正靶窗；

测量时，先测量所述校正靶窗的高程，然后测量所述活动靶窗的高程；基于所述活动靶窗的沉降测量值和所述校正靶窗的沉降校正值，得到隧道拱顶沉降。

作为本发明的进一步改进，所述活动靶窗或校正靶窗包括：固定栓、挡板和电机；

所述固定栓固定安装在隧道拱顶上，所述电机和挡板安装在所述固定栓上；所述电机驱动所述挡板在所述固定栓上匀速升降。

作为本发明的进一步改进，初始位置下，所述电机和挡板置于所述固定栓顶部，当所述电机在运动到所述固定栓底部时，通过预设定装置或程序自动开始反向匀速运动。

作为本发明的进一步改进，所述处理系统包括：现场工控机、云端数据库和计算机系统；

所述现场工控机与所述激光测距仪通过无线网络相连接，所述云端数据库与所述现场工控机通过无线网络相连接，所述计算机系统与所述云端数据库通过无线网络相连接。

作为本发明的进一步改进，所述处理系统还包括：报警系统；

所述报警系统与所述计算机系统相连接，当所述计算机系统测量不稳定围岩内壁的沉降值达到或超过条件设计值时，通过所述报警系统发出报警信号。

本发明公开了一种基于上述监测系统的监测方法，包括：

所述激光测距仪测量所述活动靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差；

所述激光测距仪根据所述时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程；

所述处理系统接收所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据所述活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量。

本发明公开了一种基于上述监测系统的监测方法，包括：

所述激光测距仪测量所述活动靶窗和校正靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差；

所述激光测距仪根据所述活动靶窗的时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述校正靶窗的时间差计算所述校正靶窗的靶窗高程；

所述处理系统接收所述活动靶窗和校正靶窗的靶窗高程，根据所述活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值减去校正靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据所述活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值减去校正靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的监测系统制作、安装和使用均较简单，同时，廉价的靶板可以大量布设，造价低；此外，可快速有效部署，可及时发现险情；在单侧施工隧道出洞时，可有效克服洞内条件差、光线暗等缺点，激光束在黑暗条件下易分辨，有很好应用；监测时不受隧道的断面大小和内部施工影响，效率高，操作方便，安全可靠，精度高，节约人力和成本；随时可监测拱顶的沉降，实时观察拱顶沉降变化，确保施工安全的进行。为保证测量精度，激光测距仪不宜布设过远，其布设位置也肯能存在一定的沉降，通过在更稳定位置布设校正靶窗，有效的消除了测距仪布设位置沉降的影响，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的监测系统的结构示意图；

图2为图1中活动靶窗或校正靶窗的结构示意图；

图3本发明一种实施例公开的监测系统的框架流程图。

图中：

1、激光测距仪；2、活动靶窗；3、校正靶窗；4、现场工控机；5、云端数据库；6、计算机系统；7、报警系统；8、固定栓；9、挡板；10、电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统，包括：激光测距仪1、活动靶窗2和处理系统；其中：

本发明的激光测距仪1水平设置于隧道的稳定围岩内壁上，活动靶窗2可竖直匀速升降设置于隧道的不稳定围岩内壁上，活动靶窗2在竖直升降时可遮挡激光测距仪1的激光线；本发明的激光测距仪测量活动靶窗从上之下、从下至上两次通过激光测距仪的时间差，根据时间差计算活动靶窗的靶窗高程。

进一步，在隧道内的不稳定围岩内壁上每间隔一定距离设定一个监测断面，每个监测断面的拱顶布置一个活动靶窗2，所有活动靶窗2均平行设置且活动靶窗2垂直激光测距仪1所发出的激光线；优选为，活动靶窗2的中心可对准激光线。

进一步，如图2所示，本发明的活动靶窗2包括：固定栓8、挡板9和电机10；固定栓8固定安装在隧道拱顶上，电机10和挡板9安装在固定栓8上；靶窗结构的电机10标准运动模式为匀速转动，可带动挡板9结构沿固定栓8匀速向上或向下运动，并且该电机10在运动到固定栓8底部时通过预设定装置或程序自动开始反向匀速运动。进一步，挡板9中心开有边长为2cm的窗口，挡板在不测量时均自动置于固定栓顶部。

本发明的处理系统与激光测距仪1相连，用于通过无线网络接收活动靶窗的靶窗高程，根据此次靶窗高程和上述靶窗高程或靶窗初始值，实时测量隧道拱顶沉降。

进一步，如图3所示，本发明的处理系统包括：现场工控机4、云端数据库5、计算机系统6和报警系统7；现场工控机4与激光测距仪1通过无线网络相连接，利用无线网络方式将激光测距仪上测量数据实时传输到现场工控机；云端数据库5与现场工控机4通过无线网络相连接，通过无线网络可将数据传输到云端数据库；计算机系统6与云端数据库5通过无线网络相连接，在远程的施工伙伴通过用户端实时共享测量数据。报警系统7与计算机系统6相连接，当计算机系统6测量不稳定围岩内壁的沉降值达到或超过条件设计值时，通过报警系统7发出报警信号。

本发明还提供一种实时测量隧道拱顶沉降的监测方法，包括：

激光测距仪测量活动靶窗从上之下、从下至上两次通过激光测距仪的时间差；

激光测距仪根据时间差计算活动靶窗的靶窗高程；

处理系统接收活动靶窗的靶窗高程，根据活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量；

当不稳定围岩内壁的沉降值达到或超过条件设计值时，发出报警信号。

在上述监测系统的基础上，本发明还可增加校正靶窗3，进一步提高测量精度。

校正靶窗3设置于隧道的稳定围岩内壁上，校正靶窗3可竖直匀速升降设置于隧道的稳定围岩内壁上，校正靶窗3在竖直升降时可遮挡激光测距仪1的激光线。

激光测距仪包括前视和后视两个工作模式；当激光测距仪为前视模式时，用于测量活动靶窗；当激光测距仪为后视模式时，用于测量校正靶窗。

本发明还提供一种实时测量隧道拱顶沉降的监测方法，包括：

激光测距仪测量活动靶窗和校正靶窗从上之下、从下至上两次通过激光测距仪的时间差；

激光测距仪根据活动靶窗的时间差计算活动靶窗的靶窗高程，根据校正靶窗的时间差计算校正靶窗的靶窗高程；

处理系统接收活动靶窗和校正靶窗的靶窗高程，根据活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值减去校正靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值减去校正靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量；

当不稳定围岩内壁的沉降值达到或超过条件设计值时，发出报警信号。

本发明的优点为：

本发明的监测系统制作、安装和使用均较简单，同时，廉价的靶板可以大量布设，造价低；此外，可快速有效部署，可及时发现险情；在单侧施工隧道出洞时，可有效克服洞内条件差、光线暗等缺点，激光束在黑暗条件下易分辨，有很好应用；监测时不受隧道的断面大小和内部施工影响，效率高，操作方便，安全可靠，精度高，节约人力和成本；随时可监测拱顶的沉降，实时观察拱顶沉降变化，确保施工安全的进行。为保证测量精度，激光测距仪不宜布设过远，其布设位置也肯能存在一定的沉降，通过在更稳定位置布设校正靶窗，有效的消除了测距仪布设位置沉降的影响，进一步提高了测量精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实时测量隧道拱顶沉降的监测系统，其特征在于，包括：激光测距仪、活动靶窗和处理系统；

所述激光测距仪水平设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述活动靶窗可竖直匀速升降设置于隧道的不稳定围岩内壁上，所述活动靶窗在竖直升降时可遮挡所述激光测距仪的激光线；

所述激光测距仪测量所述活动靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差，根据所述时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程；

所述处理系统与所述激光测距仪相连，用于接收所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述靶窗高程实时测量隧道拱顶沉降；

在隧道内的不稳定围岩内壁上每间隔一定距离设定一个监测断面，每个监测断面的拱顶布置一个活动靶窗，所有活动靶窗均平行设置且活动靶窗垂直于所述激光测距仪所发出的激光线；

还包括：校正靶窗；

所述校正靶窗设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述校正靶窗可竖直匀速升降设置于隧道的稳定围岩内壁上，所述校正靶窗在竖直升降时可遮挡所述激光测距仪的激光线；

所述活动靶窗或校正靶窗包括：固定栓、挡板和电机；

所述固定栓固定安装在隧道拱顶上，所述电机和挡板安装在所述固定栓上；所述电机驱动所述挡板在所述固定栓上匀速升降，所述挡板上开有用于激光线穿过的窗口，所述挡板在不测量时均自动置于所述固定栓顶部；

所述电机和挡板置于所述固定栓顶部，当所述电机在运动到所述固定栓底部时，通过预设定装置或程序自动开始反向匀速运动。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述激光测距仪包括前视和后视两个工作模式；

当所述激光测距仪为前视模式时，用于测量所述活动靶窗；

当所述激光测距仪为后视模式时，用于测量所述校正靶窗；

测量时，先测量所述校正靶窗的高程，然后测量所述活动靶窗的高程；基于所述活动靶窗的沉降测量值和所述校正靶窗的沉降校正值，得到隧道拱顶沉降。

3.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述处理系统包括：现场工控机、云端数据库和计算机系统；

所述现场工控机与所述激光测距仪通过无线网络相连接，所述云端数据库与所述现场工控机通过无线网络相连接，所述计算机系统与所述云端数据库通过无线网络相连接。

4.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述处理系统还包括：报警系统；

所述报警系统与所述计算机系统相连接，当所述计算机系统测量不稳定围岩内壁的沉降值达到或超过条件设计值时，通过所述报警系统发出报警信号。

5.一种基于如权利要求1所述的监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

所述激光测距仪测量所述活动靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差；

所述激光测距仪根据所述时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程；

所述处理系统接收所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据所述活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量。

6.一种基于如权利要求2所述的监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

所述激光测距仪测量所述活动靶窗和校正靶窗从上之下、从下至上两次通过所述激光测距仪的时间差；

所述激光测距仪根据所述活动靶窗的时间差计算所述活动靶窗的靶窗高程，根据所述校正靶窗的时间差计算所述校正靶窗的靶窗高程；

所述处理系统接收所述活动靶窗和校正靶窗的靶窗高程，根据所述活动靶窗的靶窗高程与初始值的差值减去校正靶窗的靶窗高程与初始值的差值，计算隧道拱顶沉降的累积变化量；根据所述活动靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值减去校正靶窗的靶窗高程与上次靶窗高程的差值，计算隧道拱顶沉降的本次变化量。

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